摘要：目的研究单层氮化硼(Single-layerBoronNitride,SBN)对聚丙烯(Polypropylene,PP)力学性能和摩擦性能的影响。方法首先利用超声剥离和硅烷偶联剂KH550表面改性方法制得SBN，用高速混合机将PP、马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)和SBN混合均匀；然后利用注塑机通过熔融共混，制备PP/SBN复合材料。结果当SBN质量分数低于1.6%时，PP/SBN的表面硬度和耐磨性能得到了进一步改善；当SBN质量分数高于1.6%时，PP/SBN的力学强度和摩擦性能降低；当SBN质量分数为1.6%时，PP/SBN的拉伸强度和冲击强度分别达到最大值(35.27MPa,34.69kJ/m2)，较纯PP分别提高了10.7%,18.8%。此时，PP/SBN的摩擦因数和磨损率较纯PP分别降低了15.1%,32.4%。结论当SBN质量分数为1.6%时，对PP具有增强增韧作用，复合材料的力学性能和耐磨性能都得到明显提高。

  聚丙烯(PP)作为一种重要的热塑性聚合物，产量位居通用塑料第3位，具有质轻、成本低廉、抗挠曲性良好且易加工等优点，可应用于汽车零部件等产品的包装材料、家电以及建筑材料等领域。由于PP存在低温易脆、自身磨损率大、表面易划伤以及易老化发黄等缺点，因此限制了其在工程领域的大范围推广[1—2]。此外，应用于汽车零部件包装领域、汽车装饰以及塑料齿轮等特殊场合的PP还要求具有一定的耐磨特性[3—6]，因此，针对PP摩擦性能的研究也非常重要。

  氮化硼作为一种非氧化物材料，晶体结构为类石墨结构，其硬度、耐热性和化学稳定性与金刚石相近，并且具有高导热系数、抗氧化性、自润滑、抵抗腐蚀能力以及高抗热震性等特性，大范围的应用于高比强度复合材料、高性能航空摩擦材料、特种光电材料以及半导体材料等领域，被认为是最具潜能的材料之一。氮化硼的结构有以下特点，上下六角网格的原子互相对齐，相邻原子为异种原子，构成层状排列，层与层之间以较弱的范德华力结合，很容易相对滑移。氮化硼具有多种优良特性，针对SBN性能的研究将显得更具有研究价值[7—9]。

  文中首先利用超声剥离方法制得SBN，然后再利用熔融共混法制备PP/SBN复合材料。随后在填充SBN的条件下，探讨PP复合材料的摩擦磨损机制和力学性能，为PP复合材料在汽车零部件包装上的应用提供一定的理论依据。

  主要原料：蓖麻油；聚丙烯(FB82N)，熔体流动指数为3.0g/10min(温度为230C，负载为2.16kg)，东莞市汉腾塑胶原料有限公司；氮化硼，平均粒径小于5mm，潍坊邦德特种材料公司；马来酸酐接枝聚丙烯(WJ-5D98)东莞市樟木头金运来塑胶原料公司；偶联剂KH550，级别为BR，广州潮顺化工有限公司；分析级无水乙醇，天津化工原料有限公司。

  主要设备：MA900注塑机，海天塑机集团有限公司；YM-040S超声仪，亿贝贸易(深圳)有限公司；DHG-9053A真空干燥箱，上海和呈仪器制造有限公司；WDW-200电子万能试样机，济南新试金试验机有限责任公司；SHR10A混合机，张家港亿塑机械有限公司；QG-700摩擦试验机，兰州中科凯华科技有限公司；HR2150A型硬度计；JEM-2200FS透射电镜，日本；ZBC7000冲击试验机，美特斯工业系统(中国)有限公司。

  在500mL的烧杯中加入300mL质量分数为99%的无水乙醇并滴加3g硅烷偶联剂KH550，经50C水浴、20min搅拌后，再加入100g氮化硼粉末，继续搅拌2h；然后在功率为40W的条件下超声分散30min后，放入转速为7000r/min的离心机中离心分离15min；随后收集悬浮液并做冷冻干燥处理，最终得到的固体白色粉末为SBN[8—11](质量约为82.6g，产率约为82.6%)。

  文中将采用熔融法制备PP/SBN复合材料。将物料(见表1)于温度为85℃的线的配比称取物料加入高速混合机中，同时滴加蓖麻油(物料与蓖麻油的质量比为200∶1)；混合20min后，将混合均匀后的物料加入注塑机(注塑机1区、2区、3区、喷嘴的温度分别为190,210,230,230℃)，利用模具注塑成标准测试样条。

  1)冲击强度测试。根据GB/T1843—2008，样品规格为80mm×10mm×4mm，每组样品测试结果为随机5个试样取平均值(无缺口)。

  2)拉伸强度测试。根据GB/T1040.1—2006，样品为哑铃型，拉伸速率为2mm/min，每项测试5个试样取平均值。

  3)洛氏硬度测试。根据GB/T9342—1988，压头钢球直径D为12mm，加载时间为20s，压力为588N。

  4)摩擦性能测试。在QG-700摩擦试验机上测试复合材料的摩擦、磨损性能，偶件为GCr15(外径尺寸为40mm)不锈钢环；样条尺寸：30mm×6mm×7mm；试验条件：室温、干摩擦条件下，载荷为200N，时间为30min，摩擦副滑动速度为0.4m/s。试验前，试样经900目水砂纸打磨处理，样品表面的平均粗糙度Ra为0.1~0.18μm，实验结果为5次结果的平均值。

  BN剥离前、后的TEM照片分别见图1a，1b。由图1a，1b可知，BN剥离前为多层状排列的类石墨结构，随后被剥离成几乎透明的片状，因此能说改性得到的白色粉末为SBN。

  SBN的质量分数对PP/SBN复合材料冲击强度和拉伸强度的影响见图2。从图2中能够准确的看出，SBN对PP的拉伸强度和冲击强度具有增强作用。当SBN的质量分数为1.6%时，复合材料的拉伸强度达到最大

  值35.27MPa，较纯PP增大了10.7%；随着SBN质量分数的继续添加，PP/SBN复合材料的拉伸强度逐渐降低。当SBN的质量分数增大到1.6%时，复合材料的冲击强度增大到最大值34.69kJ/m2，较纯PP提高了18.8%。随着SBN质量的增加，PP/SBN复合材料的冲击强度开始降低。一方面可能是当SBN质量分数低于1.6%时，氮化硼可充分的发挥自身物理特性，对应力起到吸收和传递作用，消耗和传递能量；另一方面SBN的片层对聚丙烯大分子链表现出“钉扎”和阻碍作用，并阻止应力产生的裂纹继续扩展，因此，复合材料的拉伸强度和韧性[12—13]得到了提高。当SBN填充量超过1.6%(质量分数)时，SBN在聚丙烯基体中发生团聚，在界面间形成缺陷，因此复合材料的拉伸强度和冲击强度呈现降低趋势。

  含不同质量分数SBN的PP/SBN复合材料的冲击试样断面SEM见图3。没有添加SBN时(图3a)，PP断裂面有明显裂纹，并有许多凸起和凹坑。这说明受到应力作用时，首先产生裂纹，然后裂纹迅速向材料内部扩散，表现为典型的脆性断裂。当SBN(质量分数从0.5%增加到1.6%)加入后(图3b—d)，断口处凸起和凹坑逐渐减小且变得光滑，表现为裂纹扩散缓慢。同时断面粗糙度较规整，表明SBN在复合材料中分散比较均匀。当SBN的添加量(质量分数从2%到3%)继续增大时，复合材料断面粗糙程度开始表现的无规律，并且在局部区域缺失严重(图3e—g)，说明SBN在这些区域团聚，导致此区域出现应力缺陷，因此受到外界冲击应力时，此区域断裂。

  PP/SBN复合材料磨损率和摩擦因数的变化曲线，随着SBN添加质量的增加，PP/SBN复合材料的磨损率总体表现为先降后增的趋势。当SBN的质量分数为1.6%时，复合材料的磨损率最低，较纯聚丙烯降低了32.4%。此外，SBN质量对复合材料摩擦因数的影响的总体变化趋势与磨损率相同，表现为先减小后增加。当SBN的质量分数为1.6%时，复合材料摩擦因数达到最小值0.371，较纯PP降低了15.1%。其根本原因为：一方面SBN对聚丙烯分子链具有一定的“钉扎”作用，阻碍了PP大分子链的滑移和断裂，同时SBN对聚丙烯还具有异相成核作用，提高了复合材料的机械强度，间接增大了复合材料摩擦抗变形力[14—16]。另一方面，摩擦过程中，摩擦表面的SBN先于PP基体承受负载，因SBN具有优越的物理性能，故复合材料的耐磨性在某些特定的程度上得到提高。然而由于摩擦自身环境，跟着时间增加，复合材料摩擦表面温度上升，PP基体容易在复合材料摩擦面发生粘着，产生疲劳摩擦，使得复合材料的摩擦因数和磨损率减小。而当SBN填充量超过1.6%时，SBN容易在复合材料中团聚，减弱了SBN与PP基体的界面结合强度，因此在摩擦过程中，部分SBN会从复合材料摩擦面剥离并形成磨料。剥离的磨料直接作用于复合材料，进而导致复合材料的摩擦因数和磨损率增大[15]。

  PP/SBN复合材料的表面硬度随SBN添加质量的变化曲线能够准确的看出，PP/SBN复合材

  料的表面硬度随SBN添加质量的增加先增后减。当SBN填充质量分数为1.6%时，硬度值达到最大为HRR114，较纯PP提高了12.9%。当SBN的质量分数超过1.6%时，PP/SBN复合材料的表面硬度呈现下降趋势。这是因为SBN的加入提高了复合材料的承载能力。此外SBN具有异相成核作用，提高了PP的结晶程度。而当SBN质量分数大于1.6%时(见图3e,3f,3g)，氮化硼容易团聚，导致与基体界面间的粘结力降低或在结晶过程中形成晶型缺陷，因此降低了复合材料的表面硬度[14]。

  PP/SBN复合材料的磨损率与其表面硬度之间的曲线中能够准确的看出，当SBN的质量分数为0,0.5%,1.2%,1.6%时，复合材料的磨损率与其表面硬度的倒数大致呈正比关系，此结果与Archard[17]公式相一致，即软硬质材料对摩时，软质材料磨损率与表面硬度呈反比。而当SBN的质量分数大于1.6%时，复合材料的磨损率与硬度间的拟合曲线偏差较大，其根本原因可能为SBN的质量分数大于1.6%时，复合材料的拉伸强度和冲击强度逐渐降低，导致SBN与PP基体界面强度开始变差，摩擦过程中部分SBN

  剥离摩擦面，进而时复合材料的磨损率逐渐偏离线性拟合曲线。综上，过量的SBN非但不能提升PP/SBN复合材料的摩擦性能，反而会引起新的磨粒磨损，此结果与上述分析相一致。

  1.单层氮化硼能够增强PP/BN复合材料的力学强度。当氮化硼的添加量为1.6%(质量分数)时，PP/SBN材料的冲击强度和拉伸强度分别达到最大值，为34.69kJ/m2,35.27MPa。当SBN添加量大于1.6%(质量分数)，PP/SBN材料的冲击强度和拉伸强度均表现出下降现象；

  2.SBN可提升复合材料的摩擦性能，当SBN的质量分数为1.6%时，PP/SBN材料的摩擦因数和磨损率均比纯PP降低了15.1%,32.4%。当SBN的添加量超过1.6%(质量分数)时，摩擦过程会导致SBN脱落，形成磨粒磨损，降低了复合材料耐磨性能，但磨损率得到提高。